摘要： ??目前，有关RDT的公开文献主要集中于电机设计及性能测试部分，而较少详细描述其控制手段，往往采用的是算法简单且成本较低的开环控制方法进行试验，并不追求其转速和转子位置的精...
??目前，有关RDT的公开文献主要集中于电机设计及性能测试部分，而较少详细描述其控制手段，往往采用的是算法简单且成本较低的开环控制方法进行试验，并不追求其转速和转子位置的精确估计，而商用RDT的控制手段大多为公司针对特定产品开发，封装于控制模块之中，其操作原理和控制方法未知。
3 轮缘推进装置回转控制方法研究现状
RDT采用360°全回转装置实现船舶在航行过程中需要做的航向的偏转、正倒车动作控制。与传统的舵桨相比，全回转方式结构集成度更高，倒车时采用旋转180°而不是螺旋桨反转，有利于提高工作效率和船舶操纵灵活性。
3.1 轮缘推进装置回转控制方法
RDT的全回转控制系统主要组成包括：编码器、舵角反馈模块、中心控制模块、电源分配模块、回转驱动系统、变频电机推进系统。
编码器用于采集驾驶台给定的舵角信号和推进器转速信号，并将这两个信号传输至中心控制模块；舵角反馈模块用于采集实际舵角信号，并将其反馈至中心控制模块；回转驱动系统包括回转电机驱动器、回转电机和减速机，用于驱动转舵机构转舵；变频推进系统包括变频器和永磁电机，用于驱动螺旋桨转动。电源分配模块用于给整套控制系统供电，全回转控制系统框图如图14所示。
大部分国内船舶全回转控制系统采用经典PI环节，某些厂商采用了开环传递方法，这也导致控制精度不高、响应速度不快。因此，需要通过更为先进有效的控制方法解决这些问题。
3.2 轮缘推进器装置回转控制与电机转速控制的匹配问题
RDT全回转控制与电机转速控制的匹配问题难点在于如何从控制的角度实现在任意航速时安全、快速地完成规定的转动角度。
对于RDT的全回转装置，其全回转控制系统的基本控制逻辑在于中心控制模块将实际舵角信号和给定舵角信号进行比较形成舵角差，根据舵角差进行转舵最短路径规划和推进器转速限制规划。由于装置可以360°全回转，因此，当接收到一个大于180°的转舵信号时，应避免坚持朝该方向转舵，为节省能源，减小转舵完成时间，提高转舵效率，考虑操纵全回转装置朝与转舵命令的相反方向回转，回转角度为360°。
此外，船舶高速航行时外倾角比低速航行大得多，因此回转过程中，应根据稳性规范估算定常回转阶段稳定横倾角并据此计算安全回转速度，当船速大于安全回转速度时，应限制推进器电机转速，降低船速，极端工况下，应同时限制推进器电机转速、转舵角度及时机，避免转舵产生的横倾力矩与外力叠加。
在此基础上，中心控制模块可以采用经典控制算法及智能算法判断特殊工况，选择最佳转舵方案，实现在任意航速时安全、快速地完成规定的转动角度。当单个回转电机难以驱动全回转装置时，可考虑多回转电机配合驱动以适配大型全回转装置，加快转舵速度。
4 多轮缘推进装置协同控制方法研究现状
4.1
多推进器协同控制的功能需求
目前，公布的RDT产品的功率一般不超过1MW，单个RDT还不能满足大型船舶的主推进需求。多台具有全回转功能的RDT协同工作是RDT应用的一个重要方向，并可借此提高船舶航行控制精度，实现如主动精确靠离泊、繁忙水域安全航行等。这种应用模式在增加推进总功率和提高船舶航行控制精度的同时也存在多台RDT协同控制的难题。
多RDT协同控制系统的主要性能是：系统要能快速响应外界环境因素的变化，使船舶保持航速，沿预定航迹行驶或稳定在预期的位置、艏向范围内，并尽量节约推进系统能耗。在此要求下，制定多台RDT协同控制系统的控制策略时不仅要考虑控制系统的控制精度，还要综合考虑功率限制、转速约束、操作区约束和多推进器耦合等约束条件，提高响应速度、减小能耗。
4.2 多推进器协同控制技术研究进展
多RDT协同控制的关键在于建立船舶动力学模型，该模型还需考虑风、浪、流等外部因素的影响。船舶位置信息作为输入条件，船舶推力大小和方向作为输出参数，并建立输入和输出反馈控制系统，多轮缘推进装置控制系统框图如图16所示，基于该动力学模型构造多RDT协同控制系统。其中，推力分配主要涉及总推力大小计算及多RDT推力大小分配，决定了船舶航行速度；方向控制主要涉及各RDT全回转控制，快速达到目标航行方向。
多RDT协同控制系统可分为高、低两级控制器。高级控制器的主要功能是计算总体所需推力，低级控制器的功能则是接收指令并对推力系统中的各个RDT转速及全回转角进行控制。推力分配系统作为高、低两级控制器的纽带，需满足控制力要求并符合多RDT推进系统的动力性能和操作要求，其策略的优良与否对整个协同控制系统的控制效果有着至关重要的影响。
使用多RDT推进系统的船舶一般装有2～5个推进器，分别用作主推和侧推，这也使整个多RDT协同控制系统形成了一个冗余系统。通常需要综合考虑系统响应速度、控制精度、主机功率等约束，将多RDT推进系统总功率的最小消耗作为优化问题的目标。
参考多电机协同控制策略和动力定位系统，多推进器协同控制方法主要包括：
（1）并行控制。每台RDT驱动电机的连接是并行的，都可以保持稳定转速转矩输出，但互相之间没有影响，不能对扰动及时调整。
（2）主从控制。可选取一台RDT驱动电机作为主电机，其他RDT驱动电机作为从电机，当主电机出现扰动，其他从电机能够及时调整，但当从电机出现扰动时，主电机和其他从电机并不能及时调整，协同性能较差。
（3）交叉耦合控制。与上述非耦合控制方法相比，电机之间的同步误差更小，受到干扰时可以及时调整，但其只适用于双电机系统。
（4）相邻交叉耦合控制。相比于交叉耦合控制，其可适用于两个以上电机系统，且无论是运行初期还是受到扰动，协调性能都很好，但电机较多时，其响应时间会增加。
以上控制方法针对的是多RDT协同控制系统中的低级控制器，对于高级控制器，有如下控制方法：
（1）PID控制。它具有技术成熟、操作简单、价格便宜、应用广泛等优点，但当船体或环境发生较大变化时，PID控制器的所有参数都需要重新选择，这也促进了其他控制方法的应用。
（2）LQG控制。它由Kalman滤波和最优控制相结合形成，其控制系统只响应会对位置变化起到较大影响的低频运动，而不响应高频运动，在节能、安全、鲁棒性能上有一定进步。
（3）智能控制。利用智能控制理论设计控制律是一种处理非线性问题的控制方法。它不依赖对象的精确控制模型，因此非常适合处理多RDT推进系统这种包含了环境不定性的复杂非线性控制系统，能够提高控制系统的抗干扰能力、响应速度和鲁棒性。
多推进器的协同控制更加聚焦于对船舶航行的精确稳定控制。目前，国内对于船舶多推进器协同控制系统的研究主要集中在船舶运动模型、控制模型和控制算法等方面。随着诸如RDT这种集成式电力推进器的不断发展，大型船舶的多推进器协同控制系统必将得到更多的重视和发展。
5 结论
轮缘推进装置作为船舶电力推进技术的一项革命性的创新，具有结构紧凑、高功率密度、高机动性能、减振降噪和节能环保等显著优点，可以有效避免传统推进系统中轴系结构复杂、运行振动噪声明显、密封失效等难题。
对于RDT的电机和控制，主要存在以下方面的工作：
1）关于RDT驱动电机的选型。综合效率、成本和制造工艺等因素，目前永磁电机是RDT驱动电机的理想选择，RDT电机气隙大且处于多物理场强耦合中，电磁性能受到影响；电机安装于导管内，其尺寸直接影响推进器水动力性能；电机转子与螺旋桨直接连接，电磁激振力和水动力直接耦合。如何通过电机设计有效降低电磁激振力，平衡RDT水动力性能与电磁性能，是RDT驱动电机研究的关键。
2）关于RDT驱动电机的控制。由于RDT工作在水下并取消了传动轴，难以安装位置传感器，并存在如电机负载波动频繁、单一控制方法难以满足全转速范围、功率限制等控制难题。因此，综合能效因素开发适合RDT的抗扰动复合控制算法研究以实现全转速范围内的无位置传感器控制是实现其高性能控制的发展方向。
3）关于RDT全回转装置的控制。应考虑RDT全回转控制与电机转速控制的匹配问题，从控制的角度实现在任意航速时安全、快速地完成规定的转动角度。
4）关于多RDT的协同控制。综合考虑系统响应速度、控制精度、功率限制、冗余度等约束条件，保证多RDT协同控制的准确性和快速性，使多RDT协同控制用于大型化船舶上是未来的发展方向。
本文编自2022年第12期《电工技术学报》，论文标题为“船舶轮缘推进装置驱动电机及控制方法研究进展”。本课题得到了国家重点研发计划资助项目的支持。
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